BOTDR分布式光纖傳感技術在冶金設備變形及溫度監測中的可行性研究

亓昌秋

（山東鋼鐵萊蕪鋼鐵集團有限公司總調度室，山東 萊蕪 271104）

1 概述

光纖傳感技術是上世紀八十年代伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術，該技術可通過時域技術（OTDR）和復用技術實現了分布式傳感測試，為最具前途的分布式傳感技術之一。它應用光纖幾何上的一維特性，把被測參量作為光纖位置長度的函數，可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行連續的測量，同時獲取被測物理參量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感技術中，光纖既是傳感介質，又是信號傳輸通道，不需要任何傳感探頭，采用價格很低廉的普通通信光纖就可以作為傳感光纖實現傳感和信息采集；光纖具體積小、重量輕、幾何形狀適應性強，植入到監測體中不影響監測體強度；光纖采用光信號為信息媒介，具有信息通量大、傳輸距離遠，抗電磁干擾，特別適合長距離遠程監測；光纖傳感材料為二氧化硅，具有電絕緣性好，化學穩定性好，特別適合在一些環境惡劣的場所中進行長期監測。

目前基于光纖傳感的分布式調制解調技術有：準分布的布拉格光纖光柵解調技術（簡稱FBG），光時域反射計（簡稱OTDR）；拉曼散射光時域反射測量技術（簡稱ROTDR）；布里淵散射光時域反射測量技術(簡稱BOTDR)和布里淵光時域分析測量技術（簡稱BOTDA）等，其中準分布布拉格光纖光柵技術是開發最為成熟、應用最為廣泛的光纖傳感技術，基于布里淵散射技術的分布式傳感系統是目前國際上的研發熱點，是最具潛力的一種分布式傳感技術。正因為分布式光纖傳感技術具有眾多的獨特優勢，自問世以來，很快從通信領域中通信光纖光損和斷點的檢測和監測中脫穎出來，開始在航天、國防、醫學等領域得廣泛應用。基于布里淵光時域反射技術（BOTDR）的光纖傳感技術可實行對應變和溫度的測量。具有分布式測量、測試距離長、可植入性強及操作簡便等特點，具有傳統的傳感技術無可比擬的優勢。在冶金企業中，有很多大型的設備需要進行變形和溫度的監測，BOTDR光纖傳感器的獨特特點使得其在冶金產業應用中有先天的優勢。

2 BOTDR傳感原理

BOTDR是布里淵散射光時域反射測量計 (Brillouin optic time-domain reflectometer)的縮寫如圖1，其基本原理是利用光纖中注入脈沖激光會發生各種散射現象，其中布里淵散射光的中心頻率與光纖的應變和溫度相關，光纖的應變量、光纖所受溫差與布里淵頻率的漂移量可用下式表示

式中，vB(ε,T)為在環境溫度為T應變為時光纖布里淵頻率的漂移量，vB(0,T0)表示在溫度為T0，無應變時光纖布里淵頻率的漂移量， ?vB(ε)/ ?ε 為比例系數，約為 0.05MHz/με，ε 為光纖的軸向應變量。 ?vB(T)/墜T 為比例系數，約為1MHz/K，(T-T0)為光纖的溫度變化。

利用BOTDR光學解調設備獲得光纖上各點的布里淵頻移值就可以對光纖的應變和溫度值進行測量。為了實現光纖應變與溫度的分布式測量，要利用光時域反射技術對光纖傳感數據進行空間方位的解析。光時域反射(OTDR)技術是實現分布式光纖傳感的關鍵技術。脈沖光注入光纖后，光子與光纖中的粒子會發生彈性和非彈性碰撞，與脈沖光傳播的相反方向就會出現背向散射光，通過測定該散射光的回波時間就可確定散射點的位置。

光纖上任意一點至脈沖光注入端的距離由式2計算得到：

圖1 布里淵頻移與應變和溫度的關系

式中，c是真空中的光速，n是光纖的折射率，T是OTDR發出的脈沖光與接收到的后向散射光的時間差。

空間分辨率是時域技術的一個重要概念，是指儀器所能分辯的兩個相鄰事件點間的最短距離。空間分辨率△Z取決于入射光的脈沖寬度τ，它們之間的關系如式3所示：

△Z=vτ (3)

式中，v是光纖中的光速。

將OTDR技術和相干自外差光譜探測技術相結合，能夠有效地探測出布里淵背向散射光沿光纖的分布，實現分布式應變和溫度的測量。

3 BOTDR技術在冶金設備監測中的應用

傳統的冶金企業設備監測系統需要鋪設大量的傳輸線纜，其監測網絡建成和維護成本高昂，對于環境要求苛刻的場所，如旋轉部件，油庫，配電站，鍋爐等，會限制網絡布設和供電。BOTDR傳感技術中的傳感光纖即作為傳感器量測溫度和變形，同時傳感光纖又承擔數據傳輸的任務，因此大大簡化了線路布設工作，光纖所到之處即是可測之處，就像在設備之上植入神經，方便地獲得冶金設備的工作性態。同時，光纖的主要材料是二氧化硅，具有本質安全的特點，其絕緣性保證了傳感光纖和被監測設備之間沒有電磁干擾，避免了由于傳感器件的介入對被監測設備的安全運行產生不良影響。光纖輕柔纖細，耐久性好，與傳統傳感設備相比，易于布設，能在較惡劣的環境下長期穩定工作。與其他光纖傳感技術相比（如FBG），BOTDR技術有著分布式和長距離的特點，可以實現對光纖上每一點的應變或溫度狀態進行監測，避免了點式或準分布式監測系統的漏檢問題，其理論監測距離達80km，尤其適用于大型企業或大型設備的監測工作。目前，BOTDR監測技術的應變測量范圍為（-1.5～1.5）%，空間分解度可達1m，應變的測量精度達±0.003%，溫度測量精度在0.5℃左右。

將BOTDR技術應用于冶金設備監測中要解決以下問題：

a.傳感光纖的選擇：對于應變傳感和溫度傳感，要選擇相應的傳感光纖，應變傳感光纖要考慮其長期疲勞效應，溫度傳感光纖要有良好的長期穩定性。

b.傳感光纖的布設方式：應變傳感光纖的布設要保證其與被監測設備變形協調，溫度傳感光纖要確保光纖不受外界變形的干擾。

c.應變監測的溫度補償：由于BOTDR傳感技術對溫度和應變雙重敏感，對于應變測量，要消除溫度對應變測量的干擾。

d.監測系統的開發：利用GIS，數據挖掘，小波分析，數值模擬，無線數據傳輸等技術開發集數據測試、分析處理及預報預警于一體的分布式遠程監測系統。

結語

大型冶金設備的分布式實時監控是國際及國內的一大發展趨勢，也是一項需要不斷攻關的高新技術課題。本文介紹了BOTDR傳感技術的基本原理，分析了其在冶金設備監測中的可行性，并提出了以后要解決的問題。BOTDR技術不斷發展成熟，其應用前景十分廣闊。

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